《Nature | dsRNA在细胞质调控基因表达》

  • 来源专题:战略生物资源
  • 编译者: 李康音
  • 发布时间:2024-06-22
  • 2024年6月19日,哥廷根大学Heike Krebber通讯在Nature发表题为dsRNA formation leads to preferential nuclear export and gene expression的文章,发现了一种涉及双链RNA(dsRNA)的基因表达调控的新机制。这一发现解释了一个长期存在的问题,即为什么许多长的非编码RNA(lncRNA)在明显缺乏编码潜力的情况下会被输出到细胞质。

    研究人员发现,反义RNA(antisense RNA, asRNA)可以在解旋酶Dbp2的促进下与有义RNA形成dsRNA。值得注意的是,这些dsRNA主要定位在细胞质中,这与单链RNA(ssRNA)通常观察到的核保留相反。这种优先的细胞质定位归因于核输出受体Mex67介导的dsRNA的输出增强。

    该团队证明,与ssRNA相比,Mex67对dsRNA表现出更高的结合亲和力。这种优先结合使dsRNA能够更快地从细胞核输出,从而增加其在细胞质中的存在。dsRNA的更快输出导致了基因表达的增强,如有义转录物的蛋白质水平增加。重要的是,dsRNA的形成似乎对应激反应或发育过渡期间的细胞表达程序发生变化至关重要。研究人员观察到,应激条件导致asRNA水平增加,同时其相应意义的mRNA上调。这表明dsRNA的形成可能是一种快速调节基因表达以应对细胞挑战的机制。

    该研究确定DEAD-box解旋酶Dbp2是dsRNA形成的关键参与者。在缺乏Dbp2的情况下,细胞表现出dsRNA水平的显著降低,并伴随着poly(a)+RNA在细胞核中的积累。这一发现不仅突出了Dbp2在dsRNA生物发生中的重要性,而且揭示了它在支持mRNA输出中的作用。这项研究的意义深远,为在真核生物基因组中观察到的asRNA的普遍转录提供了一个潜在的解释,并为这些看似无功能的转录物如何参与基因调控提供了见解。此外,dsRNA的优先核输出为我们理解核质RNA运输及其对基因表达的影响增加了一层新的复杂性。

    这项研究提出了关于这种机制在不同物种中的潜在保护及其在各种生物过程中的相关性的问题,包括发育、应激反应和疾病发病机制。此外,它可能会促使人们重新评估许多先前被视为转录噪声的lncRNA的功能意义。总之,这项研究强调了dsRNA形成在通过优先核输出调节基因表达中的重要性,挑战了目前对RNA生物学的理解,并为反义转录的功能相关性提供了一个新的视角。

  • 原文来源:https://www.nature.com/articles/s41586-024-07576-w
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    • 编译者:李康音
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    • 2024年4月10日,埃尔朗根-纽伦堡大学Gerhard Kr?nke通讯在Nature发表题为Metabolic rewiring promotes anti-inflammatory effects of glucocorticoids的文章,对GC如何通过巨噬细胞的代谢重编程发挥抗炎作用提供了重要见解。 研究人员证明GC促进了LPS激活的巨噬细胞的大量代谢重组。与预期的炎症途径抑制相反,GC治疗并没有全面抑制促炎基因的表达,而是发挥了差异性和时间依赖性的作用。重要的是,作者发现GC不仅调节了炎症途径,还调节了LPS激活的巨噬细胞的代谢途径,包括线粒体氧化磷酸化、丙酮酸代谢和三羧酸(TCA)循环活性。代谢通量分析显示,GC处理逆转了LPS诱导的线粒体呼吸阻断,并干扰了LPS诱导的有氧糖酵解。GC将葡萄糖衍生的碳原子的使用转向线粒体TCA循环,导致TCA循环代谢物(如柠檬酸、富马酸、苹果酸和TCA循环衍生的代谢物衣康酸)的交换率显著增加。有趣的是,GC诱导的代谢重组和线粒体功能的挽救不需要糖皮质激素受体(GR)的核定位,这表明这些作用是通过非基因组机制介导的。作者发现GC促进了调节性丙酮酸脱氢酶(PDH)亚基从预先形成的细胞质PDH-GR复合物中的释放,导致这些亚基的线粒体易位增加,并增强了PDH和丙酮酸羧化酶(PC)活性。GC对丙酮酸代谢的这种非基因组调节最终导致LPS激活的巨噬细胞中TCA循环的加速和持续提供燃料。 然后,作者研究了GC诱导的代谢重编程与GC抗炎作用的功能相关性。通过将巨噬细胞暴露于缺氧条件或通过抑制线粒体丙酮酸输入,阻断GC介导的线粒体呼吸和TCA循环活性的增加,显著降低了GC的抗炎潜力。这些发现表明,GC诱导的线粒体代谢的重编程以及由此产生的TCA循环活性的拯救对于GC在巨噬细胞中的抗炎特性至关重要。代谢组学分析显示,GC介导的TCA循环活性加速导致LPS激活的巨噬细胞中TCA循环衍生的代谢物衣康酸水平延迟但显著增加。衣康酸盐是一种强效抗炎分子,可干扰促炎基因的转录。值得注意的是,作者发现GC诱导的衣康酸产量的增加取决于衣康酸合成中的限速酶乌头酸脱羧酶(ACOD1)的表达。在缺乏ACOD1的情况下,GC的抗炎作用在体外和体内都显著降低。ACOD1的基因缺失消除了GC介导的对LPS诱导的广谱基因的抑制,包括关键的促炎基因,如Il1b和Nos2。这些发现表明,GC诱导的衣康酸盐产生的扩增是GC在巨噬细胞中发挥抗炎作用的中心机制。 为了进一步探索所确定机制的体内相关性,研究人员研究了GC治疗在各种免疫介导的炎症性疾病小鼠模型中的作用,包括LPS诱导的肺损伤、K/BxN血清转移性关节炎(一种类风湿性关节炎模型)和卵清蛋白诱导的过敏性气道炎症(一种哮喘模型)。在所有这些模型中,GC的有益抗炎作用在缺失ACOD1的情况下被消除,这突出了GC诱导的衣康酸产生对GC的治疗特性的重要作用。重要的是,研究人员还发现,类风湿性关节炎患者的GC治疗效果与血清中衣康酸水平升高有关,这进一步支持了这一机制的临床相关性。 总之,这项研究为GC的抗炎作用模式提供了重要的见解。GC通过促进巨噬细胞线粒体代谢的非基因组重编程,促进抗炎代谢产物衣康酸的持续产生,而衣康酸是其在各种免疫介导的炎症疾病中有益作用的中心介质。这些发现对新型抗炎药的设计具有重要意义,并可能有助于通过靶向潜在的代谢机制来提高GC的治疗用途。
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    • 编译者:huangcui
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    • 提到基因表达调控,遗传工程研究最常使用的是外源基因表达(即 DNA 重组技术)。1969 年美国分子遗传学家 J. 夏皮罗等分离得到乳糖操纵子,使基因调控的研究逐渐成为分子遗传学的一个重要内容。例如,在乳糖操纵子的研究中,筛选调节基因发生突变和操纵基因发生突变的突变型一直都是分子遗传学领域的核心。 即便是炙手可热的 CRISPR/Cas 系统也属于定向诱变基因组 DNA 组成。有没有方法能在不改动基因组结构的前体下,自如地调控基因的表达开合呢? 有,DNA 亚基的化学修饰(即表观遗传学修饰)就是其中一种有效途径。 路德维希 - 马克西米利安大学(Ludwig-Maximilians-Universitaet,LMU)的研究人员最近破译了这种调控程序,模仿天然方式成功激活了沉默基因,同时保证了基因本身没有受到任何损害性影响。 在多细胞生物中,每个细胞都含有完整版的遗传信息拷贝。但是,分工明确的细胞们,最终只选择表达完整版基因库中的部分信息。对 DNA 进行简单的化学修饰,就能让细胞正确地开启某些基因,并恰当地关闭某些基因。造物主设计的这种调控模式极具灵活性,这种情况下的基因 “激活” 和 “失活” 都是完全可逆的。 自从发现表观遗传学调控以来,人们一直想操纵这种天然机制。时至今日,这一理想终于被来自 LMU 的 Thomas Carell 教授团队付诸了实践。他们证明,一种新机制不仅能激活 “沉默基因” 而且不会产生任何潜在的有害中间体,文章 发表 在最新一期《Nature Chemical Biology》杂志。 胞嘧啶的甲基化功能已经被研究的比较透彻了。已知非甲基化的胞嘧啶结合一个甲基化基团(CH3)形成 5 - 甲基胞苷(5-methylcytidine)能阻止基因激活。“细胞如何扭转这种甲基化活动,使失活的基因恢复激活状态呢?”Carell 说。 甲基化容易,拆除甲基化却困难重重。目前的技术手段,只能将甲基化的胞嘧啶从 DNA 中删除,然后再用非甲基化的胞嘧啶碱基替换上去。这种 “分子手术” 非常危险,因为它需要切开至少一边的 DNA 链,有时甚至需要两边同时切断,除非立即进行修复,否则 DNA 的断裂将对细胞产生严重后果。 Carell 等人采用新的方法提高了 DNA 去甲基化的安全性。他们通过酶促反应,让胞嘧啶上的甲基基团氧化为 5 - 甲酰胞苷(5-formylcytidine)。这种酶是 Carell 实验室于 2011 年首次在小鼠干细胞中发现的。 他们在小鼠体内使用稳定同位素标记 5 - 甲酰胞苷,观察到这些 5 - 甲酰胞苷能被迅速转化为非甲基化的胞嘧啶。“我们确认细胞正是通过这种机制,在 DNA 水平上迅速而且安全地把‘沉默基因’转化为‘表达基因’,这避免了 DNA 链的断裂,”Carell 说。 这对医学研究来说绝对是一项新的突破。今后,科学家们将可以采用更 “天然” 的新方法来重新编程干细胞!在不改动基因组的前体下,实现基因表达或关闭程序。